Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

Обычно длительность прохождения тока кратковременного режи-

ма tкр выбирается так, чтобы температура токоведущих частей не пре-

вышала допустимого значения τдоп .

Если принять, что τкр - установившееся превышение температуры

в случае бесконечно длительного времени прохождения тока Iкр , то из

(1.8) можно найти время, по истечении которого превышение температуры будет равно допустимому:

Из (2.2) видно, что чем больше постоянная времени нагрева Т, тем больше время нахождения аппарата под током. В моменты времени tкр1и

tкр2 (см. рис. 2.1) аппарат необходимо отключить, после чего происходит его охлаждение до температуры окружающей среды.

Используя (1.8) и выразив τдоп и τкр через ток, получим:

Откуда связь между допустимым током длительного режима Iдл и

допустимым током кратковременного режима Iкр равна:

ко раз может возрасти допустимая нагрузка по току при кратковременном режиме по сравнению с длительным режимом:

1 e tкр /T

14

При работе в перемежающемся и повторно-кратковременном режимах ток циклически изменяется, не спадая до нулевого значения.

На рис. 2.2 показан график изменения тока и превышения температуры аппаратов при перемежающемся режиме работы.

Рис. 2.2. График изменения тока (нагрузки) и превышения температуры при перемежающемся режиме работы

В период работы tp1 через аппарат проходит ток Ip1 ; установив-

шееся превышение температуры при этом равно τу1 . В период tp2 че-

выми и наступит так называемый квазистационарный режим, в котором в конце интервала tp1 превышение температуры достигнет τmax , а в кон-

це интервала tp2 достигнет значения τmin .

Используя (1.8), получается, что

жение

15

превышение температуры τдоп . Если выразить установившееся превы-

шение температуры через соответствующие токи длительных режимов, то есть:

кратковременный режим, когда ток Ip2 = 0. Время tp2 называется вре-

16

где tц tp tп – время цикла работы.

С учетом (2.15) коэффициент перегрузки по току определяется из

(2.14)

Из (2.16) видно, что при неизменном значении ПВ% коэффициент перегрузки p по току и ток Ip зависят от отношения tp /T . При возрас-

тании отношения tp /T тепловая нагрузка аппарата увеличивается, а

коэффициент перегрузки по току уменьшается.

Лекция № 3

Электрические контакты, режимы их работы

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся про-

водники называются контактами или контакт-деталями.

Контакт является одним из основных элементов электроаппаратуры, от конструктивного исполнения и состояния которого в значительной степени зависит надежность работы электроустановки.

Различают два основных вида контактных соединений: неподвижные

– для жесткого соединения токоведущих частей и подвижные, контактные поверхности которых замыкают или размыкают электрические цепи.

Основным материалом для изготовления контактов является медь. Контакты, предназначенные для работы в ответственных установках с тяжелым режимом работы, имеют напаянные серебряные пластины.

Большое применение в качестве контактного материала, особенно в крановом электрооборудовании, нашла металлокерамика. Этот материал состоит из серебра с примесью 15% окиси кадмия и обозначается СОК – 15. Контакты из керамики обладают малым и стабильным электрическим сопротивлением, повышенным сопротивлением электрическому износу и привариванию при относительно больших значениях тока и небольших нажатиях на контакты. Сопротивление контакта обратно пропорционально силе нажатия.

Для медных контактов оптимальное значение усилия нажатия, обеспечивающее малую величину переходного сопротивления, составляет приблизительно (50-100) кг/см2.

17

При размыкании контактов под нагрузкой вследствие действия ЭДС самоиндукции и ионизации воздушного промежутка между контактами возможно возникновение электрической дуги, которая вызывает оплавление или подгорание контактов.

Для защиты контактов от действия дуги и сокращения времени ее действия применяют различные дугогасительные приспособления и устройства.

Гашение дуги может быть осуществлено с помощью роговых разрядников. При этом способе электрическая дуга под действием потока горячего воздуха, перемещающегося вверх, поднимается по расходящимся рогам, удлиняется, обрывается и гаснет.

Контакты часто размещают внутри асбоцементной камеры, которая охлаждает дугу и препятствует ее распространению на соседние камеры.

В стенках асбоцементной камеры часто устанавливают деионную решетку, состоящую из ряда изолированных друг от друга луженых стальных пластин. При размыкании контактов возникшая дуга индуцирует в пластинах вихревые токи. Созданный этими токами магнитный поток смещает дугу в сторону пластин, затягивает внутрь решетки, где дуга рассекается на мелкие части, быстро охлаждается и гаснет.

Для гашения дуги широко используют и другие способы: дугогасительные катушки, минеральное масло, сжатый воздух и др.

Крежимам работы контактов относятся:

включение цепи;

контакты во включенном состоянии;

отключение цепи.

Врежиме включения цепи в контактных системах электрических аппаратов могут иметь место следующие процессы: вибрация контактов

иэрозия на поверхности контактов.

На рис. 3.1 показан процесс вибрации при включении контактов. В точке А контакты соприкоснулись и напряжение на них (U) ста-

ло равным нулю, а ток стал равным I. После касания подвижный контакт продолжает движение за счет инерции подвижных частей и деформации материала контактов. В точке В контакт останавливается и начинает двигаться в противоположную сторону за счет упругих сил, возникающих из-за деформации контактов. Этот процесс продолжается до точки С, в которой цепь разрывается, ток становится равным нулю, но контакт не останавливается, а продолжает движение по инерции до положения

Xконт . После этого подвижный контакт под действием пружины снова стремится замкнуться, и ток появляется в точке D. Таким образом, отброс

контакта за счет упругих сил материала контакта равен X , а за счет сил

инерции - X конт . За время tm контакты расходятся на расстояние, равное

18

Xконт – XD . Если X > Xконт , то вибрация контактов не приведет к их размыканию (после точки G).

а

б

Рис. 3.1. Вибрация контактов при замыкании цепи:

а– процесс вибрации контактов на активную нагрузку;

б– зависимость контактного нажатия Рконт

от перемещения подвижного контакта х

19

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которое приводит к сильному износу контактов изза плавления и распыления материала контактов. В связи с этим принимают различные конструктивные решения для уменьшения вибрации.

Впроцессе включения по мере приближения подвижного контакта

кнеподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой межконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами. Электрическая дуга при пробое не возникает, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом – анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом, или эрозией. Эрозия при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях и малых межконтактных зазорах она может привести к их привариванию.

Во включенном состоянии контактов рассматриваются два режима: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток короткого замыкания.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номи-

нальном токе I ном падение напряжения на переходном сопротивлении

Rконт было меньше падения напряжения в контакте для точки размягче-

ния материалаUконт.разм , т. е.

Вероятность приваривания контактов зависит от их конструкции и от всей токоведущей цепи аппарата. Электродинамические силы, действующие между токоведущими деталями, используют для повышения электродинамической стойкости контактов.

Так, например, при кинематической схеме аппарата представлен-

ной на рис. 3.2,а контактная пружина P должна создавать усилие 2 P1 , которое можно рассчитать по формуле:

где i- ток электродинамической стойкости (амплитуда ударного тока), А;

Pконт - контактное нажатие (усилие), Н; k2 - эмпирический коэффициент.

20

Лекция № 4

Отключение электрических цепей

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и, в основном, определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд является либо тлеющим, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит в маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги.

Дуговой разряд имеет следующие особенности:

Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для металлов составляет пример-

но 0,5 А.

При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно ве-

лика и достигает 102 - 103 А/мм2.

Падение напряжения у катода составляет всего 10 20 В и практически не зависит от тока.

Вдуговом разряде различают три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную.

Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство

длиной не более 10 6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, т.к. их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода.

Область дугового столба, в которой энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ударная ионизация не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация.

22